梁 濤１,２,姜 勇１,２

(１．南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,南京 ２１１８１６;

２．極端承壓裝備設(shè)計與制造重點實驗室,南京 ２１１８１６)

摘 要:某旋轉(zhuǎn)真空過濾機濾網(wǎng)支撐板,在使用５a(年)后開始出現(xiàn)零星開裂失效,局部更換后又使用了約２a出現(xiàn)大面積開裂失效.采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、掃描電鏡分析、能譜分析等方法,對該支撐板開裂失效原因進行了分析.結(jié)果表明:支撐板材料中鉬、鎳元素含量低,使得濾網(wǎng)支撐板的耐腐蝕性能較低,在冷加工過程中產(chǎn)生的形變馬氏體進一步影響了材料的耐腐蝕性能;過濾物中含有 Br－ 造成了濾網(wǎng)支撐板的點蝕,在點蝕坑位置處產(chǎn)生應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致濾網(wǎng)支撐板發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂.

關(guān)鍵詞:支撐板;不銹鋼;溴離子;點蝕;應(yīng)力腐蝕開裂

中圖分類號:TG１７２．９;TG１１５．２ 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２２２Ｇ０４

旋轉(zhuǎn)真空過濾機是通過安裝在水平軸上的圓柱狀轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn),使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成真空,在壓差的作用下,溶液通過覆蓋在轉(zhuǎn)鼓上的濾布被吸入轉(zhuǎn)鼓內(nèi),從而實現(xiàn)固液分離.某單位粗對苯二甲酸旋轉(zhuǎn)真空過濾機的濾網(wǎng)支撐板在使用５a(年)后出現(xiàn)零星開裂,更換開裂的支撐板后又繼續(xù)使用了約２a,濾網(wǎng)支撐板出現(xiàn)大面積開裂失效.該過濾機所分離的介質(zhì)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為６０％醋酸＋４％水＋３６％其他介質(zhì)旋轉(zhuǎn)真空過濾機是通過安裝在水平軸上的圓柱狀轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn),使轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成真空,在壓差的作用下,溶液通過覆蓋在轉(zhuǎn)鼓上的濾布被吸入轉(zhuǎn)鼓內(nèi),從而實現(xiàn)固液分離.某單位粗對苯二甲酸旋轉(zhuǎn)真空過濾機的濾網(wǎng)支撐板在使用５a(年)后出現(xiàn)零星開裂,更換開裂的支撐板后又繼續(xù)使用了約２a,濾網(wǎng)支撐

板出現(xiàn)大面積開裂失效.該過濾機所分離的介質(zhì)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為６０％醋酸＋４％水＋３６％其他介質(zhì)(可能含有少量溴離子),壓力４５kPa,實際使用溫度約９０ ℃,轉(zhuǎn)速４r??min－１,功率２０kW,支撐板材料為３１７奧氏體不銹鋼.為了查明該濾網(wǎng)支撐板失效原因,筆者對其進行一系列的理化檢驗和分析,以防止類似失效的再次發(fā)生.

１理化檢驗

１．１ 宏觀觀察

圖１a)為失效的濾網(wǎng)支撐板的現(xiàn)場形貌,圖１b)為失效處裂紋形貌,可見開裂主要集中于加工時的大變形位置并向四周擴展.

１．２ 化學(xué)成分分析

采用Spectromaxx直讀光譜儀測定濾網(wǎng)支撐板的化學(xué)成分,結(jié)果見表 １,同時在表 １ 里列出了GB/T２０８７８－２００７中３１７和３０４不銹鋼元素含量的標(biāo)準(zhǔn)值作為參考.可見失效濾網(wǎng)支撐板的鉬含量僅為３１７不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)值的１/１０,遠低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,

另外鎳元素含量也低于標(biāo)準(zhǔn)值.通過與表１中３０４不銹鋼元素含量的標(biāo)準(zhǔn)值進行對比,可見失效濾網(wǎng)支撐板材料是３０４奧氏體不銹鋼,而非要求的３１７奧氏體不銹鋼.

１．３ 掃描電鏡分析及能譜分析

通過JSMＧ６１６０ＧLV 掃描電鏡進行斷口形貌分析和腐蝕產(chǎn)物能譜分析,圖２a)為濾網(wǎng)支撐板斷口的微觀形貌,可見表現(xiàn)出穿晶的解理斷裂特征,并有二次裂 紋.支 撐 板 表 面 還 發(fā) 現(xiàn) 大 量 點 蝕 凹 坑,如圖２b)所示,對凹坑中的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析,檢測出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為６１．６％的鐵元素,１４．６％的鉻元素,１０．０％的氧元素,８．２％ 的鎳元素,１．０％ 的錳元素,１．２％的硅元素,０．６％ 的碳元素 和 高 達 ２．８％ 的 溴元素.

１．４ 金相檢驗

使用 AxioImageAim 金相顯微鏡觀察失效濾網(wǎng)支撐板的顯微組織,結(jié)果如圖３所示.圖 ３a),b)可見大量點蝕坑,點蝕坑內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物,另可見具有分叉 特 征 的 穿 晶 裂 紋 起 始 于 點 蝕 坑 底 部.根據(jù)裂紋位 置 及 形 態(tài) 判 斷,此 種 開 裂 方 式 為 源 于點蝕坑的應(yīng)力腐蝕開裂.由圖３c)可 見 支 撐 板 基體顯 微 組 織 為 奧 氏 體,有 明 顯 的 加 工 特 征;由圖３d)可見明顯的形變馬氏體,用磁鐵 檢 查,材 料具有一定磁性.

１．５ 耐腐蝕性能電化學(xué)測試

首先對濾網(wǎng)支撐板材材料３０４奧氏體不銹鋼進行預(yù)應(yīng)變處理,然后采用 MF３００型鐵素體測量儀測量預(yù)應(yīng)變４５％后３０４不銹鋼中的馬氏體含量,測定結(jié)果見表２.

采用 CHI６６０E電化學(xué)儀器一體化電化學(xué)分析系統(tǒng),模擬３０４奧氏體不銹鋼與預(yù)應(yīng)變４５％的３０４奧氏體不銹鋼在含有 Br－ 環(huán)境中的使用狀況.圖４為兩者在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１．５％的 NaBr溶液中的極化曲線,兩者的電化學(xué)參數(shù)見表３.可見經(jīng)過預(yù)應(yīng)變的３０４奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能有所下降,其自腐蝕電位由－０．２１４V 下降為－０．２３７V,自腐蝕電流 從 １．２１×１０－７ A??cm－２ 上 升 到 了 ３．０４ ×１０－７ A??cm－２,點 蝕 破 裂 電 位 由 ０．５３２ V 降 至－０．３９３V.說明在含有 Br－ 的環(huán)境中,奧氏體不銹鋼產(chǎn)生的馬氏體相變越多越容易發(fā)生點蝕.

采用 CHI６６０E電化學(xué)儀器一體化電化學(xué)分析系統(tǒng),模擬３０４奧氏體不銹鋼與預(yù)應(yīng)變４５％的３０４奧氏體不銹鋼在含有 Br－ 環(huán)境中的使用狀況.圖４為兩者在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１．５％的 NaBr溶液中的極化曲線,兩者的電化學(xué)參數(shù)見表３.可見經(jīng)過預(yù)應(yīng)變的３０４奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能有所下降,其自腐蝕電位由－０．２１４V 下降為－０．２３７V,自腐蝕電流 從 １．２１×１０－７ A??cm－２ 上 升 到 了 ３．０４ ×１０－７ A??cm－２,點 蝕 破 裂 電 位 由 ０．５３２ V 降 至－０．３９３V.說明在含有 Br－ 的環(huán)境中,奧氏體不銹鋼產(chǎn)生的馬氏體相變越多越容易發(fā)生點蝕.

２ 分析與討論

由上述理化檢驗結(jié)果可知,該旋轉(zhuǎn)真空過濾機濾網(wǎng)支撐板的鉬含量僅為 標(biāo) 準(zhǔn) 值 的 １/１０,遠 低 于３１７奧氏體不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,鎳元素含量也低于標(biāo)準(zhǔn)值.不銹鋼中加入鉬元素,可提高其耐點蝕和縫隙腐蝕的能力,鎳元素是奧氏體形成元素,材料中鎳含量偏低會降低奧氏體的穩(wěn)定性,導(dǎo)致加工時容易產(chǎn)生馬氏體相變,對耐蝕性能產(chǎn)生不利影響[１Ｇ２].支撐板的斷口形貌表現(xiàn)出穿晶解理斷裂特征,并可見二次裂紋.支撐板表面可見大量點蝕凹坑,坑內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物,對凹坑中的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析,

檢出含量高達２．８％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的溴元素.奧氏體不銹鋼材料表面有一層致密的鈍化膜,因而具有良好的耐均勻腐蝕性能[３].若服役介質(zhì)中含有 Cl－ ,Br－ ,ClO－４ 等腐蝕性陰離子,表面的鈍化膜易發(fā)生點蝕[４].另可見具有分叉特征的穿晶裂紋起始于點蝕坑底部,根據(jù)裂紋位置及形態(tài)判斷,此開裂為應(yīng)力腐蝕開裂.濾機濾網(wǎng)支撐板在加工和成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及安裝時殘留的裝配應(yīng)力等都為發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂提供了必要的應(yīng)力條件[５Ｇ７].因此,推斷該裂紋屬于典型的奧氏體不銹鋼溴離子應(yīng)力腐蝕開裂.電化學(xué)試驗也證明在含有 Br－ 的環(huán)境中,材料產(chǎn)生的馬氏體相變越多越容易發(fā)生點蝕.

３ 結(jié)論及建議

該濾網(wǎng)支撐板由于選材不規(guī)范,且殘余應(yīng)力未消除,而后又接觸含有溴離子的過濾物,最終導(dǎo)致了典型的奧氏體不銹鋼溴離子應(yīng)力腐蝕開裂.建議合理選材,選擇含鉬且鎳元素含量較高的如３１７奧氏體不銹鋼材料,提高其耐腐蝕性能;在加工成型后應(yīng)進行固溶處理,消除或降低材料的殘余應(yīng)力;對使用環(huán)境進行檢測,確保過濾介質(zhì)中的溴離子含量較低,以避免誘發(fā)溴離子應(yīng)力腐蝕.

（文章來源：材料與測試網(wǎng) -理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 3期 > pp.222）